高精密3D打(da)印:未來(lai)微(wei)型機器人研制(zhi)的(de)重(zhong)要(yao)手段(duan)

機器人技(ji)術(shu)是壹門(men)快速(su)發(fa)展(zhan)的高新技(ji)術(shu)，在許(xu)多領域(yu)得到(dao)了日(ri)益廣(guang)泛的(de)應用，並對(dui)人(ren)類(lei)社會(hui)產(chan)生(sheng)著(zhe)日(ri)益(yi)重(zhong)大(da)的影(ying)響。微型(xing)機器人（Micro-Robotics）是指(zhi)集成了微(wei)型作(zuo)業(ye)工具(ju)、各種(zhong)微(wei)小型(xing)傳感(gan)器，具(ju)有通用編程(cheng)能力(li)的小型(xing)移(yi)動(dong)機構(gou)，而(er)微(wei)機電(dian)系(xi)統和(he)微(wei)驅動(dong)器的出(chu)現(xian)和發(fa)展(zhan)為微型(xing)機器人的誕生(sheng)提(ti)供(gong)基礎(chu)。

誕生(sheng)背(bei)景(jing)

和微(wei)機電(dian)系(xi)統壹樣(yang)，微型(xing)機器人的發(fa)展(zhan)和微(wei)驅動(dong)器的發(fa)展(zhan)也(ye)是緊密相關(guan)的(de)。1987年美(mei)國加州(zhou)大(da)學伯(bo)克利分(fen)校取得壹項轟動(dong)的(de)突(tu)破(po)性成就(jiu)，首(shou).次(ci)研制(zhi)出(chu)了轉子直徑為60~120μm的微(wei)型(xing)靜電(dian)動(dong)機，隨(sui)後MIT也(ye)研制(zhi)出(chu)了100μm的(de)靜電(dian)動(dong)機。

近年來(lai), 采用MEMS 技(ji)術(shu)的微型衛(wei)星、微(wei)型(xing)飛行器和進入狹窄(zhai)空(kong)間(jian)的(de)微(wei)機器人展(zhan)示(shi)了誘人的應(ying)用前景(jing)和軍(jun)民兩(liang)用的戰略意(yi)義(yi)。以(yi)日(ri)本(ben)(三(san)菱(ling)電(dian)子公司、松(song)下東(dong)京(jing)研究(jiu)所(suo)和Sumitomo電(dian)子公司等)為代表(biao)的(de)許(xu)多國家(jia)在這(zhe)方(fang)面開展(zhan)了大(da)量(liang)研究(jiu)，重(zhong)點(dian)發(fa)展(zhan)進入工業(ye)狹窄空間微機器人、進入人體(ti)狹窄(zhai)空間(jian)醫療(liao)微系(xi)統和(he)微(wei)型工(gong)廠(chang)。

在國家(jia)自然(ran)科學基(ji)金、863高技(ji)術(shu)研究(jiu)發(fa)展(zhan)計(ji)劃(hua)等的(de)資助下, 清(qing)華(hua)大(da)學、上海(hai)交(jiao)通大(da)學、哈(ha)爾(er)濱工(gong)業(ye)大(da)學、廣(guang)東工(gong)業(ye)大(da)學、上海(hai)大(da)學等科(ke)研院(yuan)所(suo)針對微(wei)型機器人和微操作(zuo)系(xi)統進行了大(da)量(liang)研究(jiu)，並(bing)分別研制(zhi)了原理樣(yang)機。目(mu)前國內(nei)對(dui)微(wei)型(xing)機器人的研究(jiu)主(zhu)要(yao)集中(zhong)在三(san)個(ge)領(ling)域(yu)：面向(xiang)煤氣、化(hua)工(gong)、發(fa)電(dian)設(she)備細小管(guan)道探(tan)測(ce)的微(wei)型機器人；針對人(ren)體(ti)、進入腸道(dao)的(de)無(wu)創(chuang)診(zhen)療微(wei)型機器人；面向(xiang)復(fu)雜機械(xie)系統非(fei)拆(chai)卸檢(jian)修(xiu)的微(wei)型機器人。

發(fa)展(zhan)瓶頸(jing)

3D打(da)印技(ji)術(shu)在微型(xing)機器人的應用

2019年4月(yue)，多(duo)倫多(duo)大(da)學微(wei)型(xing)機器人實驗室(shi)在《Science Robotics》刊(kan)登(deng)了壹篇關(guan)於3D打(da)印微型(xing)機器人的文章(zhang)。研究(jiu)人(ren)員將(jiang)磁(ci)性元(yuan)素釹(nv)的(de)顆粒嵌(qian)入(ru)到(dao)柔性材料中(zhong)，並(bing)通過3D打(da)印技(ji)術(shu)設計(ji)二(er)十多(duo)種(zhong)不同(tong)形狀(zhuang)的(de)磁(ci)性機器人結構。研究(jiu)人(ren)員使用壹對強(qiang)力(li)的磁(ci)鐵來(lai)翻(fan)轉機器人特定部(bu)位(wei)釹(nv)的(de)極(ji)性，使它(ta)們在磁(ci)場中(zhong)發(fa)生(sheng)排(pai)斥和吸(xi)引(yin)作用，並通過紫外(wai)線(xian)照射將(jiang)這(zhe)些磁(ci)性粒子鎖定在相應的(de)位(wei)置。通過特定(ding)的編程(cheng)程(cheng)序(xu)，控制微型機器人不同(tong)部(bu)位(wei)的極(ji)性，使其達到爬行(xing)、蠕(ru)動(dong)、翻(fan)滾(gun)、收(shou)縮等運(yun)動(dong)效(xiao)果。

( BMF microArch S240陶瓷3D打(da)印機加工的(de)微型(xing)齒(chi)輪，最小細節可達(da)0.092mm )

壹般(ban)而(er)言(yan)，微(wei)型(xing)機器人整(zheng)體(ti)尺寸(cun)不超過100mm，細節尺(chi)寸可以(yi)達(da)到(dao)微米(mi)甚(shen)至(zhi)納米(mi)級(ji)別(bie)，這(zhe)就(jiu)對(dui)加工精(jing)度和(he)自由(you)度提(ti)出(chu)*要(yao)求(qiu)。傳統的(de)CNC加工工(gong)藝(yi)成本(ben)昂(ang)貴(gui)，靈(ling)活度低(di)，壹般(ban)適(shi)合(he)大(da)零部(bu)件(jian)的(de)加工。而(er)MEMS加工工(gong)藝(yi)過程(cheng)復(fu)雜，垂(chui)直方(fang)向(xiang)加工受(shou)限(xian)，適(shi)合(he)二(er)維(wei)加工。而(er)3D打(da)印技(ji)術(shu)，作為當前發(fa)展(zhan)非常(chang)迅(xun)速的制(zhi)造(zao)工藝(yi)，具(ju)有低(di)成本(ben)、高效(xiao)率(lv)、壹體(ti)化加工成型的特點(dian)。雖然(ran)壹直以(yi)來(lai)材料是3D打(da)印技(ji)術(shu)難點(dian)之(zhi)壹，研究(jiu)人(ren)員逐步開發(fa)壹些功能性材料，比如(ru)摻雜磁(ci)性粉(fen)末顆粒增(zeng)強(qiang)磁(ci)性。並(bing)且(qie)也(ye)可以(yi)通過後期(qi)表(biao)面(mian)處(chu)理來(lai)彌補(bu)材料方(fang)面的不足(zu)，比如(ru)表(biao)面(mian)金屬(shu)化、濺射鍍膜、翻(fan)模(mo)等工(gong)藝(yi)。

目(mu)前，能(neng)夠實現高精度3D打(da)印的工(gong)藝(yi)屈(qu).指.可.數(shu)，其中(zhong)面(mian)投影(ying)微立(li)體(ti)光刻(ke)（PμSL）工藝(yi)是其中(zhong)之(zhi)壹。該工(gong)藝(yi)以(yi)深(shen)圳(zhen)摩方(fang)材料科(ke)技(ji)有(you)限公司為代表(biao)，已(yi)經研發(fa)出(chu)多(duo)款型(xing)號機型(xing)，並且(qie)實(shi)現商業(ye)化生(sheng)產(chan)，為國內(nei)外(wai)多個(ge)大(da)型公司提(ti)供(gong)高精密加工方(fang)案。下圖(tu)是該公司10um精(jing)度設(she)備nanoArch S140通過在高強(qiang)度韌(ren)性樹(shu)脂(zhi)中(zhong)摻雜磁(ci)性粉(fen)末顆粒（質(zhi)量(liang)比20%）加工的(de)磁(ci)性抓手(shou)以(yi)及(ji)磁(ci)性彈(dan)簧陣列(lie)結構。

( 磁(ci)性抓手(shou)，最小壁(bi)厚可達(da)0.070mm )

( 磁(ci)性彈(dan)簧陣列(lie)，最小線(xian)徑可達(da)0.099mm )

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